DE69801663T2

DE69801663T2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Leistungsregelung eines optischen Übertragungssignals

Info

Publication number: DE69801663T2
Application number: DE69801663T
Authority: DE
Inventors: Lothar Benedict Erhard Josef Moeller; Bernd Teichmann
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: EP0994583B1; DE69801663D1; JP3540217B2; EP0994583A1; JP2000124859A; US6580539B1

Description

TECHNICHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der optischen Übertragung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals in einem optischen Übertragungssystem mit Wällenlängenmultiplexing.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Wellenlängenmultiplexing (WDM) wird zur Erhöhung der Kapazität eines Übertragungssystems mit optischen Fasern eingesetzt. Bei einem WDM-System trägt jede einzelne Faser eine Anzahl optischer Signale, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Wenn diese optischen Signale über große Entfernungen übertragen werden, ist eine periodische Regeneration der optischen Signale notwendig. Diese Regeneration wird derzeit entweder durch Demultiplexen der verschiedenen Wellenlängen und anschließendes Konvertieren der optischen Signale in entsprechende elektrische Signale bewirkt, die regeneriert und anschließend in optische Signale zurückgewandelt werden, oder durch die Verwendung optischer Verstärker, wie erbiumdotieretn Faserverstärkern (EDFA). Optische Verstärker haben den Vorteil sowohl relativ geringer Kosten, als auch der Fähigkeit, alle verwendeten Wellenlängen zu verstärken, ohne die Notwendigkeit eines Demultiplexens und einer optoelektronischen Regeneration. Gegenwärtig in Entwicklung befindliche WDM-Systeme werden acht oder mehr Kanäle aufweisen, d. h. modulierte optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen (bekannt als dichtes Wellenlängenmultiplexing, DVDM). Wenn EDFAs zur Regenerierung von optischen Übertragungssignalen verwendet werden, entsteht ein Problem, wenn ein oder mehrere Kanäle des optischen Übertragungssignals ausfallen oder hinzugefügt oder aus dem optischen Übertragungssignal herausgenommen werden, da EDFAs empfindlich gegenüber Schwankungen der Eingangsleistung sind. In diesen Fällen wird einen Kreuzsättigung in EDFAs kurzzeitige Leistungsspitzen in den verbleibenden Kanälen auslösen. Die verbleibenden Kanäle werden Fehlerbursts unterliegen, falls z. B. ihre Leistung Grenzwerte für optische Nichtlinearitäten überschreitet oder zu niedrig werden, um ein adäquates Augenöffnen zu bewahren.
Aus "FAST LINK CONTROL PROTECTION FOR SURVIVING CHANNELS IN MULTIWAVELENGTH OPTICAL NETWORKS", von J. L. Zyskind et al., 22nd European Conference on Optical Communication - ECOC'96, Oslo, Seiten 49-52, ist es bekannt, zur Steuerung der Leistung des optischen Übertragungssignals einen zusätzlichen Kanal zu dem optischen Übertragungssignal hinzuzufügen. Die optische Leistung des Steuerkanals wird gesteuert, um die optische Gesamtleistung des optischen Übertragungssignals konstant zu halten; falls z. B. ein Kanal des optischen Übertragungssignals ausfällt, wird die optische Leistung des Steuerkanals erhöht, um die Gesamtleistung des optischen Übertragungssignals konstant zu halten. um die optische Leistung des Steuerkanals zu ändern, wird üblicherweise der Injektionsstrom eines Lasers, der den Steuerkanal erzeugt, geändert, wenn der Laser im Dauerstrichmodus arbeitet.
Wenn der Steuerkanal die Leistungsschwankungen mehrerer Dutzend Kanäle kompensieren soll, kann die optische Leistung des Steuerkanals um ein mehrfaches höher als die optische Leistung des Datenkanals sein. Ein als stimulierte Brillouinstreuung (SBS) bekannter nichtlinearer Effekt bewirkt für ein unmoduliertes optisches Hochleistungssignal, wie es für den Steuerkanal verwendet wird, ein Problem, weil die optische Leistung, die in die Faser eingekoppelt wird, in der Faser reflektiert werden wird, wenn die optische Leistung einen Grenzwert überschreitet. Die Höhe dieser sogenannten Brillouin-Schwelle hängt von dem Material der verwendeten Faser, der Länge der Faser und dem Leistungsdichtespektrum des optischen Signals ab. Für ein optisches Signal mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einem Leistungsdichtespektrum kleiner 2 MHz, beträgt die Brillouin-Schwelle PT für eine Faser mit einer Länge von 30 km 2-10 mW. Da die Leistung des Steuerkanals erheblich höher sein kann, wird das den Steuerkanal bildende optische Signal mehr oder weniger vollständig reflektiert.
Der Leser wird auf die EP-A-0829981 verwiesen:

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals bei der optischen Übertragung mit Wellenlängenmultiplexing bereitzustellen. Ein Ziel des betreffenden erfinderischen Verfahrens und der Vorrichtung besteht darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.
Einem ersten Gegenstand der Erfindung zufolge wird ein Verfahren bereitgestellt zum Steuern der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals in einem Wellenlängenmultiplexsystem mit einem Addieren eines optischen Steuersignals mit einer variablen optischen Leistung, um Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals zu kompensieren, und einem Verbreitern des zugehörigen Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals.
Einem zweiten Gegenstand der Erfindung zufolge wird eine Vorrichtung bereitgestellt zum Steuern der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals in einem Wellenlängenmultiplexsystem mit einem Lichtquellenmittel zum Erzeugen eines optischen Steuersignals mit einer variablen optischen Leistung, einem Steuermittel zum Erfassen von Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals und zum Steuer der optischen Leistung des Lichtquellenmittels in Reaktion hierauf, und einem Zufügungsmittel zum Hinzufügen des optischen Steuersignals zu dem optischen Übertragungssignal, und mit einem Mittel zum Verbreitern des zugehörigen Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie es erlaubt, daß die optische Leistung eines optischen Übertragungssignals mit der Hilfe eines Steuerkanals konstant gehalten wird, der ein optisches Signal aufweist, das ein erweitertes Leistungsdichtespektrums aufweist und folglich die negativen Effekt der SBS vermeidet.
Durch die im folgenden gegebene ausführliche Beschreibung wird die vorliegende Erfindung umfassender verstanden werden und weitere Anwendungsbereiche werden offenbar werden. Es versteht sich jedoch, daß die ausführliche Beschreibung nur zu Zwecken der Veranschaulichung gegeben wird, da für Fachleute verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs offensichtlich sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die folgende ausführliche Beschreibung wird von folgenden Zeichnungen begleitet:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der optischen Leistung in einem Wellenlängenmultiplexsystem,
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Mittels zur Steuerung der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals in einem in Fig. 1 gezeigten Wellenlängenmultiplexsystem,
Fig. 3 ist ein Diagramm der optischen Leistung, die von einem Laser als Funktion des Injektionsstroms emittiert wird, und
Fig. 4 ist ein Diagramm des Injektionsstroms, der gemäß der Erfindung einem Laser zugeführt wird als Funktion der Zeit.
Identische Bezeichnungen in verschiedenen Figuren geben identische Elemente wieder. Dicke Linien, die in den Figuren dargestellte Elemente verbinden, geben optische Verbindungen wieder, z. B. optische Fasern, andere dargestellte Verbindungen sind elektrische Verbindungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

In Fig. 1 ist ein Wellenlängenmultiplexsystem gezeigt, das eine. Vorrichtung zur Steuerung der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals des Systems aufweist. Das WDM-System umfaßt Lichtquellen λ&sub1; ... λn, z. B. Laser, mit verschiedenen Wellenlängen, die von den Signalen S1 ... Sn moduliert werden, um die verschiedenen optischen Kanäle zu bilden. Die verschiedenen optischen Kanäle werden durch einen Wellenlängenmultiplexer 1 kombiniert, um ein optisches Übertragungssignal OS zu bilden. Das WDM- System umfaßt ferner einen optischen Verstärker 4, z. B. einen EDFA, der die optischen Übertragungssignale OS zur Übertragung über einen Übertragungsweg 5, z. B. eine optische Faser verstärkt. In das WDM-System ist eine Vorrichtung zur Steuerung der optischen Leistung des Übertragungssignals OS integriert, die einen Koppler 2, ein Steuermittel 3 und eine Lichtquelle λx umfaßt, z. B. einen Laser, der Licht bei einer Wellenlänge emittiert, die von den Wellenlängen, die für die optischen Kanäle des WDM-Systems verwendet werden, verschieden ist. Der Koppler 2 koppelt einen kleinen Betrag der Energie des optischen Übertragungssignals OS, das gesteuert werden soll und auf einem konstanten Energiepegel gehalten werden soll, aus. Der Koppler 2 ist z. B. mit einer optischen Faser O an die Steuermittel 3 angekoppelt. Das Steuermittel 3 erfaßt Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals OS und steuert die Lichtquelle λx in Reaktion auf die erfaßten Schwankungen, z. B. über eine elektrische Kopplung C mit der Lichtquelle λx, auf solche Weise, daß die optische Leistung der Lichtquelle λx, die erfaßten Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals OS kompensiert. Ein Ausgang P der Lichtquelle λx wird z. B. mit einer optischen Faser an den Wellenlängemultiplexer 1 angekoppelt, um das optische Steuersignal der Lichtquelle λx zu dem optischen Übertragungssignal OS hinzuzufügen.
Der allgemeine Hintergrund der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das von der Lichtquelle λx erzeugte optische Steuersignal am Ausgang P nicht innerhalb der Faser des Übertragungswegs 5 wegen SBS reflektiert werden sollte. Um dies zu erreichen, muß eine SBS anzeigende Schwelle erhöht werden, um Reflexion zu vermeiden. Die Reflexion des optischen Signals wird durch Streuung verursacht, die die Folge der Oszillation der Photonen innerhalb der Faser ist. Infolge von Wechselwirkung innerhalb der Faser, besitzen die Photonen eine mittlere Lebensdauer bevor sie sich in Wärmeschwingungen auflösen. Wenn die mittlere Lebensdauer der Photonen einer Bandbreite B entspricht und wenn die SBS-Schwelle für ein unmoduliertes optisches Trägersignal PSBS ist, muß die spektrale Leistungsdichte eines modulierten optischen Signals kleiner sein als
(1) P = PSBS/B
um SBS zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird die optische Leistung des Steuerkanals P daher über einen größeren Frequenzbereich verteilt, ohne Verluste der Ausgangsleistung eines Lasers zu bewirken, der verwendet wird, um das optische Steuersignal zu erzeugen. Dies kann durch Phasenmodulation des optischen Steuersignals erreicht werden, weil die Phasenmodulation das Spektrum des modulierten optischen Trägers aufweitet, ohne die mittlere Ausgangsleistung zu dämpfen. In den Fig. 3 und 4 ist der Hintergrund für ein einfaches und billiges Verfahren gezeigt, um einen optischen Träger zu modulieren.
Fig. 3 zeigt eine graphische Auftragung einer Ausgangsleistung P eines Lasers, z. B. einer Halbleiterlaserdiode, die in eine optische Faser emittiert wird, gegenüber dem Injektionsstrom C, der dem Laser zugeführt wird. In einem ersten Bereich LED arbeitet die Halbleiterlaserdiode wie eine lichtemittierende Diode. Die Verstärkung des aktiven Mediums reicht nicht aus, um den Lasermodus zu erreichen. Die emittierte optische Leistung P ist proportional zum Injektionsstrom C und die optische Leistung wird isotrop emittiert, d. h. nur ein kleiner Teil der emittierten - optischen Gesamtleistung wird in die Faser eingekoppelt. In einem zweiten Bereich Laser arbeitet die Halbleiterlaserdiode, nachdem ein Injektionsstromgrenzwert CT überschritten ist, als Laser. Die emittierte optische Leistung wird durch die stimulierte Emission fokussiert und der größte Teil wird in die Faser eingekoppelt, mit Ausnahme eines kleinen Kopplungsverlusts.
Fig. 4 zeigt eine graphische Auftragung des Injektionsstroms C, der dem Laser zugeführt wird, gegen die Zeit t. Wenn der Injektionsstrom C moduliert oder zwischen zwei Pegeln wie gezeigt hin- und hergeschaltet wird, wobei einer der Pegel unter dem Grenzwert CT liegt, der oben erläutert wurde, arbeitet die Halbleiterlaserdiode in den Perioden TII als Laser und in den Perioden TI als lichtemittierende Diode. Wenn der Lasermodus in den Perioden TI zusammenbricht, muß er jedesmal, wenn eine Periode TII startet wieder neu aufgebaut werden. Falls keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, besitzt die Phase des neu aufgebauten Lasermodus eine Phase, die mit der Phase des vorhergehenden Lasermodus nicht korreliert ist. Auf diese Weise wird das emittierte Licht gemäß einer Kostenfunktion phasenmoduliert, wobei die Phasendifferenz von Licht aufeinanderfolgender Lasermoden gleichmäßig über 2π verteilt wird. Die für das Kollabieren des Lasermodus erforderliche Zeitperiode TI ist sehr kurz. Der Leistungspegel des von der Halbleiterlaserdiode emittierten optischen Signals wird daher von der Modulation kaum beeinträchtigt.
Fig. 2 gibt eine schematische Darstellung einer in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Steuermittels 3 wieder. Das Steuermittel 3 umfaßt einen optoelektrischen Wandler 31, z. B. eine Photodiode, ein Schleifenfilter 32, einen Analog/Digital-Wandler 33, einen Mikrocomputer 34 und eine Stromquelle 35. An Punkt O wird ein Teil der Energie des optischen Übertragungssignals OS in die Photodiode 31 eingekoppelt, die das optische Übertragungssignal OS in ein elektrisches Signal wandelt, das dem Schleifenfilter 32 zugeführt wird. Der Ausgang von Filter 32 wird in den Analog/Digital-Wandler 33 eingekoppelt, der dem Mikrocomputer 34 binäre Ziffern liefert, die den Leistungspegel des optischen Übertragungssignals OS wiedergeben. Der Mikrocomputer 34 steuert den Eingang des Analog/Digital-Wandler 33, falls eine Schwankung der Leistung des optischen Übertragungssignals OS vorhanden ist. Falls der Mikrocomputer 34 eine Schwankung erfaßt, wird der Strom, der als elektrisches Steuersignal C zur Steuerung der Lichtquelle λx, d. h. der Halbleiterlaserdiode, verwendet wird, entsprechend der von dem Mikrocomputer 34 erfaßten Schwankung angepaßt. Um das von der Lichtquelle λx erzeugte optische Steuersignal P wie oben erläutert phasenzumodulieren, schaltet der Mikrocomputer 34 die Stromquelle 35 zwischen den zwei Strompegeln hin und her, d. h. einem Strompegel unterhalb des Grenzwertes CT, der andere entsprechend darüber, um die erfaßte Leistungsschwankung auszugleichen.
Statt der Verwendung einer digitalen Steuerschleife wie oben unter Bezug auf Fig. 2 erläutert, kann eine analoge Steuerschleife verwendet werden. Da die analoge Steuerschleife die Analog/Digital-Wandlung vermeidet, ist ihre Schleifendauer kürzer.
Falls, wie in Fig. 1 dargestellt, auf dem Übertragungsweg ein Addier-und-Streich-Multiplexer 6 vorhanden ist, bei dem optische Signale oder Kanäle zugefügt oder aus dem optischen Übertragungssignale OS entfernt werden könnten, kann eine zusätzliche hier beschriebene Vorrichtung dazu verwendet werden, die optische Leistung des optischen Übertragungssignals OS zu steuern. Die Elemente und Funktionen der zusätzlichen Vorrichtung sind identisch zu den oben beschriebenen Elementen und Funktionen. Die Elemente sind mit gestrichelten Linien dargestellt und die Bezeichnungen sind identisch zu den oben verwendeten Bezeichnungen, abgesehen davon, daß sie einen Apostroph aufweisen. Ein Teil O' des optischen Übertragungssignals OS' wird mit einem Koppler 2' ausgekoppelt, zu einem Steuermittel 3' geleitet, das an eine Lichtquelle λ'x angekoppelt ist, die ihrerseits an einen Wellenlängenmultiplexer 7 angekoppelt ist. Anstatt das optische Steuersignal P' mit Multiplexer 7 hinzuzufügen, könnte ein Addiereingang des Addier-und- Streich-Multiplexers 6 verwendet werden. Nach der Steuerung des optischen Übertragungssignals OS' wird es von einem EDFA 9 regeneriert und ein optischen Übertragungssignals OS" steht zur weiteren Übertragung über einen nichtgezeigten Übertragungsweg bereit.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals in einem Wellenlängenmultiplexsystem mit

einem Addieren eines optischen Steuersignals mit einer variablen optischen Leistung, um Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals zu kompensieren, gekennzeichnet durch

ein Verbreitern des zugehörigen Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Verbreitern des Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals durch eine Phasenmodulation des optischen Steuersignals erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Phasenmodulation des optischen Steuersignals durch ein Modulieren eines Stroms erreicht wird, der einer Halbleiterlaserdiode zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

das Modulieren des Stroms durch ein Umschalten des Stroms zwischen zwei Pegeln erreicht wird, wobei der erste Pegel unter einem Grenzwert bleibt, der einen Lasermodusbetrieb der Halbleiterlaserdiode anzeigt, und

der zweite Pegel entsprechend den Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals eingestellt wird.

5. Vorrichtung zum Steuern der optischen Leistung eines optischen Übertragungssignals (OS; OS') in einem Wellenlängenmultiplexsystem mit

einem Lichtquellenmittel (λx; λx') zum Erzeugen eines optischen Steuersignals (P; P') mit einer variablen optischen Leistung,

einem Steuermittel (3; 3') zum Erfassen von Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals (OS; OS') und zum Steuer der optischen Leistung des Lichtguellenmittels (λx; λx') in Reaktion hierauf, und

einem Zufügungsmittel (1; 7, 6) zum Hinzufügen des optischen Steuersignals (P; P') zu dem optischen Übertragungssignal (OS; OS'), gekennzeichnet durch Mittel zum Verbreitern des zugehörigen Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals (P; P').

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Verbreitern Phasenmodulationsmittel (34, 35) zur Phasenmodulation des optischen Steuersignals (P; P') aufweist.

7. Vorrichtung nach Ansprüch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermittel (3; 3') das Mittel zum Verbreitern des zugehörigen Leistungsdichtespektrums des optischen Steuersignals (P; P') bildet, indem es das Lichtquellenmittel (λx; λx') steuert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellenmittel (λx; λx') von einer Halbleiterlaserdiode gebildet werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsmittel (34, 35) einen Strom (C) phasenmodulieren, der in den Halbleiterlaser (λx; λx') eingekoppelt wird, indem der Strom (C) zwischen zwei Pegeln umgeschaltet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Pegel der zwei Pegel des Stroms (C) unter einen Grenzwert (CT) fällt, der einen Lasermodusbetrieb des Halbleiterlasers (λx; λx') anzeigt, und der zweite der zwei Pegel des Stroms (C) entsprechend den Schwankungen der optischen Leistung des optischen Übertragungssignals (OS; OS') eingestellt wird, die von dem Steuermittel (3; 3') erfaßt werden.